【正文】 在 1/3到 2/3的最大要求速度內(nèi)有比較好的效果。隨著科研人員及各行各業(yè)人力、物力的不斷投入，開(kāi)始研制出了大規(guī)模的 GTO、 GTR、 IGBT和 IMP的晶體管開(kāi)關(guān)模塊，使變頻器的應(yīng)用范圍越來(lái)越廣，使其低電壓等級(jí)向高電壓等級(jí)發(fā)展電流由幾安培擴(kuò)大到幾千安培，成本大幅度降低，體積減小，可靠性增強(qiáng)，技術(shù)日趨完善 [4]。還應(yīng)當(dāng)了解當(dāng)前 常用的張力控制方法。所以，速度V2和 V1與張力有密切關(guān)系。在啟動(dòng)過(guò)程中，假定卷材 線速度 V1恒定， 控制 速度，保持 V2 1V ，以使卷材內(nèi)產(chǎn)生一定的張力，當(dāng)卷材達(dá)到合適張力后，應(yīng)該及 時(shí)調(diào)節(jié)動(dòng)力機(jī)構(gòu)使 V2穩(wěn)定，這樣，卷材就在此張力下穩(wěn)定運(yùn)行。本文以片材卷取時(shí)的張力控制為研究對(duì)象，在片材 ，管材等 的生產(chǎn)過(guò)程中，卷取作為生產(chǎn)工藝中的最后一道工序直接影響著產(chǎn)品的質(zhì)量。卷取作為生產(chǎn)工藝中的最后一道工序直接影響產(chǎn)品的量。我們都知道，一張紙如果沒(méi)有繃緊，是沒(méi)有辦法卷緊的；如果張力不恰當(dāng)，紙卷的邊緣將不齊，紙卷就會(huì)有的緊有的 松散；張力過(guò)大，紙張就很容易被拉斷。 張力控制的發(fā)展歷史 恒張力卷取控制 般分為開(kāi)環(huán)控制和閉環(huán)控制兩大類。 直接張力控制方式中，設(shè)置有張力檢測(cè)元件、張力輥和張力控制環(huán)，利用張力檢測(cè)元件的檢測(cè)信號(hào)與給定張力值比較，經(jīng)張力控制環(huán)后去驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)，控制張力輥的位置，達(dá)到控制張力的目的，這種張力控制方式優(yōu)點(diǎn)是張力控制精度高，從理論上可以實(shí)現(xiàn)零誤差控制 ；缺點(diǎn)是控制精度依賴于張力檢測(cè)元件的精度。但是在實(shí)際卷繞系統(tǒng)中，擾動(dòng)量不只卷徑一個(gè)，只有在簡(jiǎn)單的、要求不高的系統(tǒng)中，才只設(shè)法補(bǔ)償卷徑 D對(duì)張力的影響。根據(jù)不同的物理量采用不同的方法 ，一般有電流反饋、電樞反電勢(shì)反饋、卷徑反饋等 。 為了更好的獲得控制精度和更好的動(dòng)態(tài)過(guò)程，有時(shí)可采用復(fù)合控制方法。進(jìn)入九十年代后，隨著機(jī)電制造技術(shù)、電力電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展，專用張力控制設(shè)備 (器件 )有了飛速的發(fā)展，張力控制的精確度也得以不斷提高。所以，在啟動(dòng)結(jié)束后應(yīng)該立即保持 V2不變，使卷材張力恒定，由式 n2=V2/（ πD2） 知， n2應(yīng)隨卷徑 D2的增加目錄 10 而成反比地減小。 W2為收卷輥的角速度 。 對(duì)式 ()加以分析，如果卷輥勻速轉(zhuǎn)動(dòng)，且不考慮阻尼系數(shù)的變化，而且在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，卷軸軸心的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 J20往往要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于薄膜這樣密度較小的卷材的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量J2K ， 所以可以將總轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 J2認(rèn)為是 一個(gè)恒定值。 顯然，在實(shí)際卷繞過(guò)程中，總要受到外界因素的干擾，所以，靜態(tài)卷繞只是一種最為理想的情況，在實(shí)際過(guò)程中很難實(shí)現(xiàn)。設(shè) 卷材 厚度為 σ ，已 知卷材 長(zhǎng)為 L ，由面積相等可得： 2222Dd S d D d L? ??? 可推出：2 22dD dLD??? 可以得到： 222222dD dL Vd t D d t D?????? ………………………………… .（ ） 將式（ ）代入（ ）中，即可得到張力 T的表 達(dá)式： 442 4 2 22 0 2 0 2 2 02 2 2 22 0 2 2 24 2 22 2 2 2 24 [ ( ) / 3 2 ]2483* ( ) ( )4 fD J b D DM V V d VT J V b V B tD D D D D d t??? ??? ??? ? ? ? ? ?…………………………………………………… …………………………… ...............（ ） 由于 卷材 厚度一般很小，所以在卷繞過(guò)程中，卷徑的變化一般不會(huì)很快。 收卷輥半徑和收卷輥角速度的變化是影響片材張力的主要因素。這里僅論述電機(jī)張力控制系統(tǒng)和 磁粉張力控制系統(tǒng)兩種?？勺鍪站€動(dòng)力的裝置很多，如力矩電機(jī)、直流電機(jī)和 滑差電動(dòng) 。因此，在使用力矩電機(jī)做收線動(dòng)力時(shí)．恰當(dāng)?shù)剡x擇和計(jì)算其輸出 力 矩和額定轉(zhuǎn)速．并與收線張力和收線速度匹配好，是用好力矩電機(jī)的要求 。是機(jī)電一體化 中 力矩電機(jī)的理想配套裝備。閉環(huán)控制模式是指系統(tǒng)中有檢測(cè)傳感器，如張力傳感器 ，速度傳感器，電流傳感器，溫度傳感器，等能將所需控制的物理量轉(zhuǎn)換成電壓訊號(hào)反 饋到控制器中，然后控制器通過(guò)調(diào)節(jié)電壓的方式對(duì)這些物理量實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制 。而且調(diào)節(jié)速度的范圍受到力矩電機(jī)自身特性的限制，調(diào)速的范圍不夠?qū)挘⑶乙肴〉帽容^高的控制精度還是要加傳感器，這樣價(jià)格就比較高了。交流變頻技術(shù)出現(xiàn)前，交流調(diào)速一直比較困難，不如直流調(diào)速控制簡(jiǎn)單方便，所以限制了交流電機(jī)的大范圍應(yīng) 用。但是隨 著頻率的改變，電機(jī)的內(nèi)部阻抗也會(huì)隨之改變，這樣就會(huì)引起電機(jī)的 轉(zhuǎn)矩不足，同時(shí)出現(xiàn)過(guò)勵(lì)磁飽和現(xiàn)象。在變頻器帶 動(dòng)電機(jī)起動(dòng)時(shí)，由于頻率和電壓是按需要隨時(shí)間遞增的，故起動(dòng)電流一般都較小，所以不需要其它起動(dòng)裝置，也不會(huì)造成電流沖擊。對(duì)收卷來(lái)說(shuō)，收卷的卷經(jīng)是由小到大變化的，為了保證恒張力，所以要求電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)距要由小到大變化。 張力控制變頻收卷的優(yōu)點(diǎn) (1)卷徑的實(shí)時(shí)計(jì)算，精確度 比較高， 保證收卷電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩的平滑性能 ； (2)因?yàn)槭站硌b置的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量是很大的，卷徑由小變大時(shí)。 根據(jù)虎克定律，材料在受到拉力時(shí)，其應(yīng)變力與材料的應(yīng)變和橫截面積成正比，有如下關(guān)系式： 目錄 16 **LF E A L?? ……… …………… … ……… .（ ） 式中： F表示材料的張力； E材料的彈性模量； A 材料的橫截面積； L 材料的原始長(zhǎng)度； △ L 材料的變形量。 設(shè)材料當(dāng)前直徑為 D，材料厚度為 h，傳動(dòng)輥的轉(zhuǎn)速為 n1(r/min)，減速比為 A。厚度越大，速度的改變值也就越大。把（ ）（ ）代入（ ）可計(jì)算得： 參考文獻(xiàn) 17 12 * * (1 )ciR n Kn R ?? ……………………………… … .() 當(dāng) ()式中的 F取張力給定值時(shí)，則參數(shù) K就是根據(jù)張力要求，需要材料達(dá)到的應(yīng)變。此方案可以適用于高精度的張力收卷場(chǎng)合，但對(duì)要求并不要求嚴(yán)格、又要求性價(jià)比高的收卷來(lái)說(shuō)，比較實(shí)用的矢量變頻器限轉(zhuǎn)矩方法，可以省去張力傳感器、 PID控制器，而只需要簡(jiǎn)單的變頻器加 PLC控制即可。 張力錐度為： 00 (1 / )* (1 )K D DFF D??? ………………… ...（ ） 其中： F 為實(shí)際輸出張力； 0F 為張力設(shè)定指令； K 為張力錐度系數(shù)； D為卷筒實(shí)時(shí)卷徑； 0D 為空心卷筒卷徑。前者是利用線速度除以電機(jī)角速度就是卷徑的相對(duì)比例，方法 比較簡(jiǎn)單，但必須注意當(dāng)線速度運(yùn)行在低速時(shí)由于卷材的線速度和電機(jī)的運(yùn)行頻率都比較低，所以導(dǎo)致誤差比較大，因此通常要采用彌補(bǔ)的方法 (比方設(shè)定一個(gè)最低線速度下限值 )。 控制方案的實(shí)現(xiàn) 本系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)以下的幾個(gè)功能 （ 1）通過(guò)變頻器設(shè)置 傳動(dòng)輥 的主速度； （ 2）通 過(guò)變頻器可以設(shè)定 收卷的速度給定和轉(zhuǎn)矩限定值； （ 3）根據(jù) 收卷電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)圈數(shù) 來(lái)計(jì)算收卷的卷徑值； （ 4）其他必要啟動(dòng)連鎖條件等 。并利用變頻器的強(qiáng)大功能提高其應(yīng)對(duì)其 它 波動(dòng)的能力。 b、轉(zhuǎn)矩限制 —— PLC通過(guò)對(duì)卷徑的計(jì)算，給出收卷電機(jī)力矩的大小，并把這個(gè)模擬量的值傳輸給變頻器，通過(guò)變頻器控制電機(jī)力矩的輸出值。并且當(dāng)負(fù)載有突變時(shí)能夠保證電機(jī)的機(jī)械特性曲線比較硬。 參考文獻(xiàn) 19 系統(tǒng)硬件概況圖形如下 圖 系統(tǒng)硬件圖形 圖形中 只畫(huà)出轉(zhuǎn)矩實(shí)時(shí)計(jì)算部分 ，對(duì)其他部分 不做研究。下面對(duì)變頻器、 PLC和模擬模塊進(jìn)一步分析 ，并對(duì)所需電機(jī)進(jìn)行簡(jiǎn)單的 選型。這樣的情況和收卷機(jī) 在一段時(shí)間內(nèi)的工作情況是相同的。 因?yàn)槭站磔伒?卷材 的增加，要使張力保持恒定，又必須要使電機(jī)力矩增加 。當(dāng)力矩的輸出不能達(dá)到錐度控制的要求的時(shí)候，由 T=F*D/I 可知道：需要 提高力矩（由于負(fù)載的增加，即 卷材 的 增加，卷徑加大而使力矩要增加）然后通過(guò)變頻控制提高力矩。 交 直 交 低壓 變 頻 器 通用型 一般通用型 無(wú)矢量控制功能 高功能通用型 只有無(wú)反饋矢量控制功能 有帶轉(zhuǎn)速反饋的矢量控制功能 專用型 風(fēng)機(jī) 水泵用變頻器 過(guò)載能力低 有 PID 功能 有睡眠和喚醒功能 有一控 X 功能 起重機(jī)械專用變頻器 具有四象限運(yùn)行功能 具有防止溜勾功能 可配置向電網(wǎng)反饋電 能功能 張力控制專用變頻器 具有轉(zhuǎn)矩和速度控制切換功能 具有收卷和放卷功能 具有計(jì)數(shù)功能 參考文獻(xiàn) 21 圖 轉(zhuǎn)矩控制示意圖 矢量控制原理 矢量控制的出發(fā)點(diǎn)是，考慮到異步機(jī)是一個(gè)多變量、強(qiáng)耦合、非線性的時(shí)變的參數(shù)系統(tǒng)，很難直接通過(guò)外加信號(hào)準(zhǔn)確控制電磁轉(zhuǎn)矩，但若以轉(zhuǎn)子磁通這一旋轉(zhuǎn)的空間矢量為參考坐標(biāo)，利 用靜止坐標(biāo)系到旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系之間的變換，可以把定子電流中的勵(lì)磁電流分量與轉(zhuǎn)矩電流分量變成標(biāo)量獨(dú)立開(kāi)來(lái)，進(jìn)行分別控制。 卷取張力是由 收卷 電機(jī) 的 轉(zhuǎn) 矩產(chǎn)生的，且以電動(dòng)機(jī)電樞電流來(lái)表示 。根據(jù)卷徑的變化，我們可以通過(guò)預(yù)設(shè)張力參考值的變化，使在恒定的預(yù)設(shè)定點(diǎn)上轉(zhuǎn)矩的變化是卷徑變化的 函數(shù)，即電流 I變化是張力變化的函數(shù)，即保持 I/r為常數(shù)，實(shí)現(xiàn) T為 設(shè)定 值的控制。該控制有兩個(gè)閉環(huán) (速度環(huán)和電流環(huán) )，限轉(zhuǎn)矩的作用就是用來(lái)限定速度調(diào)節(jié)器輸出的轉(zhuǎn)矩電流， 將直接限制變頻器的輸出頻率。它把傳統(tǒng)的繼電器控制技術(shù)，計(jì)算技術(shù)和通信技術(shù)結(jié)合在一起，專門(mén)為工業(yè)控制而設(shè)計(jì)，具有功能強(qiáng)，通用性好，可靠性 高，抗干擾能力強(qiáng)，編程簡(jiǎn)單，使用方便，以及體積小，重量輕，功耗低等優(yōu)點(diǎn)?？删幊绦蚩刂破骷捌溆嘘P(guān)外部設(shè)備，都按易于與工業(yè)控制系統(tǒng)聯(lián)成一個(gè)整體，易于擴(kuò)充其功能的原則設(shè)計(jì)。 這種面向生產(chǎn)的編程方式，與目前微機(jī)控制生產(chǎn)對(duì)象中常用的匯編語(yǔ)言相比，更容易被操作人員所接受。開(kāi)關(guān)量邏輯控制可以用于單臺(tái)設(shè)備，也可以用于自動(dòng)生產(chǎn)線，其應(yīng)用領(lǐng)域已遍及各行各業(yè)。 PLC 通過(guò)模擬量 I/O 模塊，實(shí)現(xiàn)模擬量和數(shù)字量之間的 A/D 轉(zhuǎn)換 與 D/A 轉(zhuǎn)換，并對(duì)模擬量實(shí)行閉環(huán) PID 控制。 PL與其他智能控制設(shè)備一起，可以組成“集中管理、分散控制”的 分布式控制系統(tǒng)。 CPU有各種不同的性能，例如，有的 CPU 上集成有 數(shù)字量和模擬量 輸入輸出點(diǎn)，有的 CPU 有集有 PROFIBUSDP 等 通訊接口。 STEP7 具有以下功能：硬件配置和參數(shù)設(shè)置、通信組態(tài)、測(cè)試、編程、啟動(dòng)和維護(hù)、文件建檔、運(yùn)行和診斷功能等。 STEP 7 的標(biāo)準(zhǔn)版本只配置了 3 種基本的編程語(yǔ)言：梯形圖（ LAD）、功能塊圖（ FBD）和語(yǔ)句表（ STL），有鼠標(biāo)拖放、復(fù)制和粘貼功能。功能結(jié)構(gòu)和西門(mén)子公司的模擬模塊相似。 計(jì)算 可知 ： n=1290r/min (2)變頻器工作在低頻時(shí)，交流異步 電機(jī)的特性不好，激活轉(zhuǎn)矩低而且非線性?？芍?n1=1500r/min 則有 2Hz/5Hz=N/1500可得到 n=60r/min。 (3)張力及轉(zhuǎn)矩的計(jì)算如下： 如果 F*D/2=T/I則有 F=2*T*i/D 對(duì)于 22kW的交流電機(jī)，其額定轉(zhuǎn)矩的計(jì)算如下：T=9550P/n 計(jì)算得 T=140N (其中 P為額定功率， n為額定轉(zhuǎn)矩 ) 由以上的轉(zhuǎn)速和力矩的要求就可以選擇出比較合適的電機(jī)和與之相匹配的變頻器。 (2)將編碼器的信號(hào)接至變頻器，并在變頻器上設(shè)定編碼器的圈數(shù)。通過(guò)前面卷徑計(jì)算的公式算出電機(jī)尾部所加編碼器產(chǎn)生的最大脈沖量 (P1)和最低脈沖量 (P2)。補(bǔ)償?shù)拇笮?，以電機(jī)額定轉(zhuǎn)距的百分比來(lái)設(shè)定。 張力控制未來(lái)發(fā)展趨勢(shì) 張力控制系統(tǒng)中，速度和張力 是交叉 耦合的，并且是多輸入多輸出的非線性系統(tǒng)，而采用常規(guī) PID控制理論進(jìn)行張力系統(tǒng)設(shè)計(jì)，控制器的參數(shù)一般是按照卷筒空卷時(shí)進(jìn)行整定的，在實(shí)際運(yùn)行時(shí)調(diào)節(jié)器參數(shù)并不能隨著系統(tǒng)的參數(shù)改變而改變，對(duì)系統(tǒng)模型的精確性依賴較強(qiáng)，所以控制器設(shè)計(jì)的指標(biāo)往往是達(dá)不到的。 現(xiàn)階段，對(duì)張力控制自適應(yīng) PID控制器的設(shè)計(jì)方法主要分為兩種，一種是增益自調(diào) 節(jié) PID調(diào)節(jié)器，這一種方法一般都是采取轉(zhuǎn)矩補(bǔ)償?shù)乃枷?，?jīng)過(guò)幾十多年的發(fā)展，這一種方法已經(jīng)相當(dāng)?shù)某墒欤?且在實(shí)際中也取得了廣泛的應(yīng)用，如德國(guó)西門(mén)子公 司的張力控制板系列： 從 PT10,T300到目前最新的 T400。模型參考的方法則要求建立相關(guān)的參考模型，而實(shí)際在張力控制中速度和張力是交叉耦合的，同時(shí)由于各種擾動(dòng)的存在，建立相關(guān)的精確參考模型是非常 困難的，應(yīng)此這兩種自適應(yīng) PID控制器在實(shí)際的應(yīng)用中都有一定的不足。 銅箔生產(chǎn)的收卷張力控制 [J]。 輕合金技工技術(shù) 2021， 3011： 12 [4] 李方園 變頻限轉(zhuǎn)矩功能在收卷和主從控制中的應(yīng)用 [J]。 華中科技大學(xué)碩士學(xué)位論文 2021： 2125 [8] 黃中原 對(duì)一種引進(jìn)的張力控制系統(tǒng)的剖析